纤维素酶的特点及应用

预备知识　纤维素酶的特点及应用

一、纤维素酶的基本特点

1．组成

纤维素酶是一种高活性生物催化剂，是降解纤维素生成纤维素分子链、纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称。根据纤维素酶在降解纤维素过程中的作用，它主要由各具特定降解功能同时又相互协同作用的三个组分组成。

（1）C_x酶

葡聚糖内切酶，俗称C_x酶。作用于纤维素酶分子内部的非结晶区，任意水解β－1，4－糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量非还原性末端的小分子纤维素。其中，来自真菌的简称EG，来自细菌的简称Cen。

（2）C_l酶

葡聚糖外切酶，俗称C_l酶。作用于纤维素线状大分子末端的β－1，4－糖苷键，每次切下一个纤维素二糖分子，故又称为纤维二糖水解酶。其中，来自真菌的简称CBH，来自细菌的简称Cex。

（3）β－葡萄糖苷酶

简称BG。作用于纤维素二糖，使之水解成葡萄糖分子。

上述三种组分中的每一种都有不同的几种同分异构体。要有效分解纤维素，除具备三个组分外，三种组分之间还要配得合理，才能很好地发挥协同降解纤维素的作用。不同菌种分泌的纤维素酶的三种组分的比例都不相同。对于同种菌株，在不同的底物诱导下，不同的培养基、不同的pH、不同的温度等生长条件下，它所分泌的纤维素酶的三种组分比例也不相同。

2．结构

纤维素酶分子普遍具有类似的结构，均由纤维素催化结构域（CD）、纤维素结合结构域（CBD）和连接桥三部分组成。

（1）催化结构域

它体现酶的活性及对特定水溶性底物的特异性。尽管来源不同的纤维素酶的相对分子质量差别很大，但它们催化区的大小却基本一致。

（2）连接桥

纤维素酶的连接区具有一个显著的特征，即大部分区域被糖基化，具有很强的韧性，大多富含脯氨酸和羟基氨基酸。连接桥的作用或者是保持CD和CBD之间的距离，或者是有助于不同酶分子间形成较为稳定的聚集体。

（3）纤维素结合结构域

它对酶的催化活力是非必需的，但可调解酶对可溶性和非可溶性底物专一性活力的作用。

3．性质

由不同的生产菌种所产的纤维素酶在相对分子质量、含糖量、等电点、最适pH、最适温度等方面有所不同，有的甚至相差较大。

大多数纤维素酶作用于底物的最适pH为4．0～6．0；pH稳定范围大多在4．0～11．0。按最适作用pH不同，纤维素酶可分为酸性纤维素酶（最适pH为4．8左右，由绿色木霉、里氏木霉、康氏木霉、黑曲霉、青霉等产生）、中性纤维素酶（最适pH为6～8，由长梗木霉、腐殖菌、芽孢杆菌等产生）、碱性纤维素酶（最适pH为8～11，由嗜碱芽孢杆菌、腐殖菌等产生）。

大多数纤维素酶都具有较高的温度稳定性，一般最适温度在40～50℃，温度稳定范围为50～70℃，但各组分酶的热稳定性有差异，并受到pH的影响。

一般纤维素酶的相对分子质量在45000～75000之间，因来源不同而有明显差异，变化范围很广。

二、纤维素酶的作用机理

1．来源

纤维素酶来源非常广泛，如昆虫、软体动物、原生动物、细菌、放线菌、真菌等都能产生纤维素酶。目前用于生产纤维素酶的微生物大多属于真菌，研究较多的有木霉属、曲霉属、根霉属和漆斑霉属，其中丝状真菌木霉属被公认是产纤维素酶最高的菌种之一。有许多种木霉不但分泌的纤维素酶产量高，而且纤维素酶系的三种组分（葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶、β－葡萄糖苷酶）比例较协调，因此纤维素酶酶活力较高。更为有利的是木霉分泌的纤维素酶是胞外酶，所以分离纯化比较容易，而且木霉具有培养粗放、适应性强的特点，适于固态培养和液态深层发酵，因此可以大规模应用于生产，是目前国内外研究最广泛的纤维素酶产生菌。其中里氏木霉因其纤维素酶产量较高，易于培养和控制、产纤维素酶稳定性好、培养及代谢产物安全无毒等优良特点，成为生产纤维素酶的典型菌种。

2．作用机理

目前普遍认为纤维素的酶解是纤维素酶各组分协同作用的结果。但对于各个组分是如何作用的，许多学者提出了不同的看法。主要包括以下几种观点。

（1）C₁－C_x假说

由Reese等人提出，其观点如图6－1所示。

图6－1　C₁－C_x假说

（2）顺序作用假说

以Enari等人为代表，观点如图6－2所示。

图6－2　顺序作用假说

（3）协同作用模型

目前，普遍接受的纤维素酶的降解机制是协同作用模型，如图6－3所示。

图6－3　协同作用模型

三、纤维素酶的应用

纤维素酶可以广泛地用于食品工业、洗涤、造纸、纺织、饲料、医药和能源工业。

1．食品发酵工业

用纤维素酶处理大豆，可促使脱皮，增加从大豆提取蛋白质的得率，也可回收豆渣中的蛋白质和油脂；用于淀粉制造，可缩短时间，增加得率；用于柑橘果汁加工，可促进汁液的提取和澄清；用于酱油酿造，可改善酱油质量，缩短生产周期，提高原料蛋白的利用率及产量；用于造酒工业，可提高出酒率。

2．饲料工业

纤维素酶和纤维素酶产生菌能转化粗饲料如麦糠、稻草、玉米芯等，把其中一部分纤维素转化为糖、菌体蛋白、脂肪等，降低饲料中粗纤维的含量，提高粗饲料营养价值，扩大饲料来源。

3．废弃纤维素生产糖液与单细胞蛋白

通过纤维素酶将农副产品和城市废料中的纤维素转化为葡萄糖和单细胞蛋白，可作为发酵工业的原料来生产酒精、SCP等发酵产品，对人类生产有着十分重要的意义。

4．纺织

纤维素酶在染整上广泛应用，特别在棉织物整理上，经过纤维素酶整理后棉织物的手感和外观获得很大的改善。由于织物表面的绒毛被除去，处理后织物更光洁，颜色更鲜艳。根据处理的目的不同，可进行生化抛光、柔软滑爽、改善光泽以及石磨水洗等加工。

5．造纸业

纤维素酶在造纸上的应用主要体现在旧纸脱墨过程中。该过程使用纤维素酶和半纤维素酶结合处理，可使采用传统的化学方法不易脱去的干性油和干性树脂脱去，促进脱墨过程，并且能在低pH的纸浆中进行脱墨，使纸纤维的洁白度、自由度和强度均有所提高，同时也节约了在传统方法中使用的化学原料。但在用纤维素酶脱墨时要严格控制酶剂量和作用时间。